麻竹葉水溶性膳食纖維的提取工藝及理化特性研究

張雄，李洪慶*，戴毅，陶文亮，許子競

(1.貴州民族大學 化學工程學院 貴州特色生物資源工程技術中心，貴陽 550025；2.貴州工程應用技術學院化學工程學院 天然產物中心，貴州 畢節 551700)

麻竹(DendrocalamuslatiflorusMunro)為禾本科牡竹屬多年生植物，廣泛分布于貴州、四川等地。貴州赤水地區現有竹林面積8.67萬公頃，其中麻竹和綿竹分布面積約2.13萬公頃[1]。麻竹的應用廣泛，其竹材可用于造紙、建材及手工藝品等，竹筍可食用。目前，麻竹竹材在加工過程中產生的大量竹葉常被直接丟棄，不僅造成資源的浪費，而且污染環境。現有研究表明，竹葉中富含具有降血糖、降血脂、抗氧化、預防便秘等功效的膳食纖維[2-3]。膳食纖維作為一種營養素，可作為食品添加劑廣泛應用于烘焙食品及調味品等生產中[4]。因此，深入開展麻竹葉膳食纖維的研究，對促進麻竹資源的綜合利用具有重要意義。

水溶性膳食纖維(soluble dietary fiber，SDF)是指一種不可以在人的小腸中消化和吸收，但溶于熱水的成分[5]。文獻調研發現，基于竹資源制備膳食纖維的研究主要集中在竹筍膳食纖維：李璐等[6]采用酶發酵法制備了具有較好理化性能的雷竹筍膳食纖維；Li等[7]發現竹筍膳食纖維對降低小鼠的血脂具有較好的效果；基于竹葉為原料制備膳食纖維的研究報道較少，主要有陶文亮等[8]通過化學法制備了具有較好持水力、膨脹力等理化性能的越南巨竹葉不溶性膳食纖維(IDF)；晁紅娟[9]發現毛竹葉特種膳食纖維對降低小鼠血清總膽固醇和甘油三酯具有顯著的效果。目前，以麻竹葉為原料制備SDF的研究未見報道。

本文以高濃度乙醇提取黃酮后的赤水麻竹葉殘渣為研究對象，在考察超聲功率、超聲時間、超聲溫度、料液比與NaOH濃度等單因素的基礎上，采用響應面法優化其SDF的制備工藝，并對制備的SDF持水力、膨脹力和持油力等理化特性進行測定，旨在對麻竹資源的綜合利用提供技術支撐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 原料及儀器

麻竹葉：采自貴州省赤水市。

TD5Z離心機 鹽城市凱特實驗儀器有限公司；KQ3200B臺式超聲清洗器 東莞市強勁機械設備有限公司；HH-S4恒溫水浴鍋 上海力辰儀器有限公司；DZF-6069真空干燥箱 紹興市景邁儀器設備有限公司；JA-1003B電子天平 南京貝登醫療股份有限公司。

1.2 藥品及試劑

NaOH(AR)、乙醇(AR)：深圳市博林達科技有限公司；菜籽油：德州香念食用油有限責任公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 麻竹葉水溶性膳食纖維提取工藝

將高濃度乙醇提取后的麻竹葉殘渣除醇，烘干，備用。準確稱取5.00 g于250 mL錐形瓶中，加入NaOH溶液，在超聲輔助下進行提取；提取結束后，稍冷卻，抽濾，用少量蒸餾水清洗濾餅3次，合并濾液及清洗液，用1 mol/L鹽酸中和，減壓濃縮至原體積約1/3，加入4倍體積95%乙醇，5 ℃下靜置6 h后，4000 r/min離心10 min，沉淀，用少量純水懸浮，醇沉，離心，重復3次；沉淀除醇，冷凍干燥，得SDF。

1.3.2 單因素試驗

按1.3.1的方法，考察不同料液比、超聲時間、超聲功率、超聲溫度、NaOH濃度各單因素對麻竹葉SDF得率的影響。各試驗數據重復測定3次，取平均值。

SDF得率(%)=m0/m×100%。

(1)

式中：m為原料質量，m0為得到的SDF產品質量。

1.3.3 響應面試驗

根據1.3.2中的單因素試驗結果，以麻竹葉SDF得率為響應值Y，以提取時間(A)、提取溫度(B)、料液比(C)、NaOH濃度(D)為變量進行響應面法優化，因子編碼及水平見表1。

表1 響應面試驗的因素與水平Table 1 The factors and levels of response surface experiment

1.3.4 麻竹葉SDF理化特性測定

1.3.4.1 持水力測定

準確稱取1.00 g干燥的麻竹葉SDF于25 mL錐形瓶中，加入10 mL蒸餾水，連續攪拌1 h，4000 r/min離心25 min，除去上層清液，將吸水后的SDF轉移至已恒重的培養皿中，用濾紙吸去游離水，稱重。持水力(RWHC)按式(2)計算[10]：

RWHC=(m1-m)/m。

(2)

式中：m為干燥的麻竹葉SDF質量，m1為麻竹葉SDF吸水后的質量。

1.3.4.2 膨脹力測定

準確稱取0.50 g干燥麻竹葉SDF，置于10 mL量筒中，輕微振蕩，保持表面平整，讀取膳食纖維干品體積；準確移取10 mL蒸餾水加入其中，振蕩均勻，靜置24 h后，讀取膨脹后SDF的體積。膨脹力(RSC)按式(3)計算[11]：

RSC=(V1-V0)/m。

(3)

式中：m為干燥的麻竹葉SDF質量，V0為麻竹葉SDF干燥樣品的體積，V1為麻竹葉SDF膨脹后的體積。

1.3.4.3 持油力測定

準確稱取2.00 g干燥麻竹葉SDF于50 mL燒杯中，加入20 g菜籽油，室溫靜置1 h后，抽濾；燒杯壁殘留物用少量的菜籽油沖洗，一并抽濾；將吸油后的SDF轉移至已恒重的培養皿中，稱重；濾紙上殘留的SDF用石油醚洗脫，抽濾(濾紙已恒重)，用少量石油醚清洗濾渣3次，揮干石油醚，干燥，稱重，減去濾紙重量，得殘留SDF質量。持油力按式(4)計算[12]：

ROHC=m1/(m-m2)-1。

(4)

式中：m為干燥的麻竹葉SDF質量，m1為麻竹葉SDF吸油后的質量，m2為殘留SDF質量。

2 結果與分析

2.1 超聲功率對麻竹葉SDF得率的影響

由圖1可知，超聲功率對麻竹葉SDF得率的影響不明顯，在250 W時，麻竹葉SDF得率最高，為35.72%；繼續增大超聲功率，麻竹葉SDF得率稍下降，其原因可能是較高功率的超聲波會破壞SDF的結構。因此，超聲功率固定為250 W。

圖1 超聲功率對麻竹葉SDF得率的影響Fig.1 The effect of ultrasonic power on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

2.2 超聲時間對麻竹葉SDF得率的影響

由圖2可知，提取時間為60 min時，麻竹葉SDF得率達到最大，為36.79%；隨著提取時間的延長，麻竹葉SDF得率逐漸降低，其原因可能是長時間的超聲波對SDF的破壞程度更大；同時，長時間的堿液作用也導致SDF部分降解。因此，最佳提取時間選定為60 min。

圖2 超聲時間對麻竹葉SDF得率的影響Fig.2 The effect of ultrasonic time on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

2.3 超聲溫度對麻竹葉SDF得率的影響

由圖3可知，溫度在30～60 ℃之間，麻竹葉SDF得率隨溫度的升高而增大，當溫度達到60 ℃時，麻竹葉SDF得率達到最大，為37.25%；繼續升高溫度，麻竹葉SDF得率略有下降，原因可能是堿液在高溫狀態下會加劇SDF的降解。因此，提取溫度選定為60 ℃。

圖3 超聲溫度對麻竹葉SDF得率的影響Fig.3 The effect of ultrasonic temperature on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

2.4 料液比對麻竹葉SDF得率的影響

由圖4可知，料液比(g/mL)在1∶5～1∶15范圍內，麻竹葉SDF得率隨提取液的增加而增大，在1∶15(g/mL)時，麻竹葉SDF得率達到最大，為35.93%；繼續增加提取液，麻竹葉SDF得率略有下降，其原因可能是SDF充分分散在溶液中，在堿液作用下SDF被降解為小分子糖；而且隨著提取液的增加，部分超聲波輻射能被溶液吸收，而對原料的作用降低[13]。因此，選1∶15(g/mL)作為最佳料液比。

圖4 料液比對麻竹葉SDF得率的影響Fig.4 The effect of solid-liquid ratio on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

2.5 NaOH濃度對麻竹葉SDF得率的影響

由圖5可知，NaOH濃度為8%時，SDF得率達到最大值，為36.14%；當NaOH濃度大于8%時，SDF得率緩慢減少，其原因可能有：一是提取液中的部分蛋白質在堿液作用下會發生降解，使得SDF中雜質含量降低，純度提高，得率下降；二是堿液濃度增大，SDF也被部分降解[14]。因此，選8%為最佳NaOH濃度。

圖5 NaOH濃度對麻竹葉SDF得率的影響Fig.5 The effect of NaOH concentration on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

2.6 響應面試驗結果

響應面試驗設計與結果見表2。

表2 響應面試驗設計與結果Table 2 Response surface experiment design and results

2.6.1 回歸模型的建立和方差分析

通過Design-Expert 10對表2中數據進行分析，得到麻竹葉SDF得率Y與各因素變量的二次回歸模型方程為：Y=43.23+1.49A+1.65B+3.11C+0.98D+0.41AB+0.98AC+2.03AD+1.15BC-0.55BD+0.97CD-2.41A2-2.28B2-2.99C2-2.42D2。

對該模型進行方差分析，結果見表3。

表3 方差分析Table 3 The variance analysis

續 表

由表3可知，該模型中F值為23.69，P<0.0001，差異極顯著；失擬項的P>0.05，差異不顯著，說明該回歸方程對試驗擬合程度較好。

對各因素顯著性進行檢驗分析表明，使用超聲波輔助堿液提取麻竹葉SDF工藝條件中，提取時間(A)、提取溫度(B)、料液比(C)、NaOH濃度(D)及二次項A2、B2、C2、D2對麻竹葉SDF得率的影響顯著，交互項AD、BC的影響較顯著；模型回歸系數R2=0.9595，校正系數RAdj2=0.9190，說明該模型可靠；由F值可知，各因素對麻竹葉SDF得率的影響大小依次為：料液比(C)>超聲溫度(B)>超聲時間(A)>NaOH濃度(D)。

2.6.2 響應面分析

通過Design-Expert 10軟件，繪制各因素交互作用對響應值影響的三維曲面圖，結果見圖6。

圖6 各因素交互作用對麻竹葉SDF得率影響的響應面圖和等高線圖Fig.6 Response surface plots and contour plots of the effect of the interaction of various factors on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

三維曲面圖的陡峭程度可以反映各因素對響應值影響的大小，曲面越陡，影響越大，反之，影響越小；等高線圖的形狀可反映出各因素交互效應的強弱，橢圓形表明兩因素的交互作用顯著，圓形則相反。

由圖6可知，料液比和溫度兩個因素對麻竹葉SDF得率的影響最大，交互項AD、BC對麻竹葉SDF得率的影響較強，與前面回歸分析結果相吻合。

2.6.3 工藝驗證

通過回歸方程計算得出超聲輔助提取麻竹葉SDF的最佳工藝條件為：超聲時間68.08 min、超聲溫度65.75 ℃、料液比1∶19.34(g/mL)、NaOH濃度8.65%時，麻竹葉SDF預測得率為45.34%。考慮實際操作情況，將最佳超聲輔助堿法提取工藝確定為：時間68 min、溫度66 ℃、料液比1∶19(g/mL)、NaOH濃度8.5%。在此條件下，進行3次驗證試驗，麻竹葉SDF平均得率為45.18%(n=3，RSD=0.63%)，與該條件下麻竹葉SDF得率的預測值(45.41%)的相對誤差為0.51%，表明該模型可靠，工藝可行。

2.7 麻竹葉SDF的理化特性

由圖7可知，麻竹葉SDF的持水力、膨脹力和持油力分別為3.71 g/g、2.86 mL/g和4.14 g/g；其理化特性優于米糠SDF[15]；與雷竹筍SDF[16]比較，其持水力和膨脹力較弱，但持油力較強，推測原因可能是麻竹葉SDF中親水性基團較少。麻竹葉SDF持油力強說明其能更多地吸附膳食中的油脂，對預防肥胖、改善胃腸道功能、預防心血管疾病具有較大的潛力。膳食纖維組成復雜、功能多樣，對其理化特性與結構的關系還有待進一步研究。

圖7 麻竹葉SDF理化特性及對照Fig.7 The physicochemical properties and comparison of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

3 結論

本文以麻竹葉SDF得率為評價指標，在單因素試驗基礎上固定超聲功率，以超聲時間、超聲溫度、料液比、NaOH濃度為變量，采用響應面法優化了麻竹葉SDF的超聲輔助提取工藝。結果表明，最佳提取工藝為：超聲功率250 W、超聲時間68 min、超聲溫度66 ℃、料液比1∶19(g/mL)、NaOH濃度8.5%；在此條件下，麻竹葉SDF平均得率為45.18%(n=3，RSD=0.63%)，與該條件下預測值(45.41%)的相對誤差為0.51%，說明該模型可靠，工藝可行，且麻竹葉SDF的持油力優于其他來源的SDF。在食品中添加適量的膳食纖維不僅沒有影響食品的外觀，而且可以增加產品的口感。因此，深入開展麻竹葉SDF的研究對產業化利用麻竹葉提取SDF具有一定的指導和應用價值。